进程,轻量级进程,内核线程,用户线程的区别关系

简介:   在现代操作系统中,进程支持多线程。进程是资源管理的最小单元;而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分:线程集合资源集。进程中的线程是动态的对象;代表了进程指令的执行。

 

在现代操作系统中,进程支持多线程。进程是资源管理的最小单元;而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分:线程集合资源集。进程中的线程是动态的对象;代表了进程指令的执行。资源,包括地址空间、打开的文件、用户信息等等,由进程内的线程共享。

线程有自己的私有数据:程序计数器,栈空间以及寄存器。

Why Thread?(传统单线程进程的缺点)

1. 现实中有很多需要并发处理的任务,如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。

2. 传统的UNIX进程是单线程的,单线程意味着程序必须是顺序执行,不能并发;既在一个时刻只能运行在一个处理器上,因此不能充分利用多处理器框架的计算机。

3. 如果采用多进程的方法,则有如下问题:
a. fork一个子进程的消耗是很大的,fork是一个昂贵的系统调用,即使使用现代的写时复制(copy-on-write)技术。
b. 各个进程拥有自己独立的地址空间,进程间的协作需要复杂的IPC技术,如消息传递和共享内存等。

多线程的优缺点

多线程的优点和缺点实际上是对立统一的。

支持多线程的程序(进程)可以取得真正的并行(parallelism),且由于共享进程的代码和全局数据,故线程间的通信是方便的。它的缺点也是由于线程共享进程的地址空间,因此可能会导致竞争,因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术。

三种线程——内核线程、轻量级进程、用户线程

内核线程

内核线程就是内核的分身,一个分身可以处理一件特定事情。这在处理异步事件如异步IO时特别有用。内核线程的使用是廉价的,唯一使用的资源就是内核栈和上下文切换时保存寄存器的空间。支持多线程的内核叫做多线程内核(Multi-Threads kernel )。

轻量级进程[*]

轻量级线程(LWP)是一种由内核支持的用户线程。它是基于内核线程的高级抽象,因此只有先支持内核线程,才能有LWP。每一个进程有一个或多个LWPs,每个LWP由一个内核线程支持。这种模型实际上就是恐龙书上所提到的一对一线程模型。在这种实现的操作系统中,LWP就是用户线程。

由于每个LWP都与一个特定的内核线程关联,因此每个LWP都是一个独立的线程调度单元。即使有一个LWP在系统调用中阻塞,也不会影响整个进程的执行。

轻量级进程具有局限性。首先,大多数LWP的操作,如建立、析构以及同步,都需要进行系统调用。系统调用的代价相对较高:需要在user mode和kernel mode中切换。其次,每个LWP都需要有一个内核线程支持,因此LWP要消耗内核资源(内核线程的栈空间)。因此一个系统不能支持大量的LWP。

clip_image001

注:

1 LWP的术语是借自于SVR4/MP和Solaris 2.x。

2 有些系统将LWP称为虚拟处理器。

3 将之称为轻量级进程的原因可能是:在内核线程的支持下,LWP是独立的调度单元,就像普通的进程一样。所以LWP的最大特点还是每个LWP都有一个内核线程支持。

用户线程

LWP虽然本质上属于用户线程,但LWP线程库是建立在内核之上的,LWP的许多操作都要进行系统调用,因此效率不高。而这里的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库,用户线程的建立,同步,销毁,调度完全在用户空间完成,不需要内核的帮助。因此这种线程的操作是极其快速的且低消耗的。

clip_image002

上图是最初的一个用户线程模型,从中可以看出,进程中包含线程,用户线程在用户空间中实现,内核并没有直接对用户线程进行调度,内核的调度对象和传统进程一样,还是进程本身,内核并不知道用户线程的存在。用户线程之间的调度由在用户空间实现的线程库实现。

这种模型对应着恐龙书中提到的多对一线程模型,其缺点是一个用户线程如果阻塞在系统调用中,则整个进程都将会阻塞。

加强版的用户线程——用户线程+LWP

这种模型对应着恐龙书中多对多模型。用户线程库还是完全建立在用户空间中,因此用户线程的操作还是很廉价,因此可以建立任意多需要的用户线程。操作系统提供了LWP作为用户线程和内核线程之间的桥梁。LWP还是和前面提到的一样,具有内核线程支持,是内核的调度单元,并且用户线程的系统调用要通过LWP,因此进程中某个用户线程的阻塞不会影响整个进程的执行。用户线程库将建立的用户线程关联到LWP上,LWP与用户线程的数量不一定一致。当内核调度到某个LWP上时,此时与该LWP关联的用户线程就被执行。
clip_image003

小结:

很多文献中都认为轻量级进程就是线程,实际上这种说法并不完全正确,从前面的分析中可以看到,只有在用户线程完全由轻量级进程构成时,才可以说轻量级进程就是线程。

相关文章
|
13天前
|
安全 Java 数据处理
Python网络编程基础(Socket编程)多线程/多进程服务器编程
【4月更文挑战第11天】在网络编程中,随着客户端数量的增加,服务器的处理能力成为了一个重要的考量因素。为了处理多个客户端的并发请求,我们通常需要采用多线程或多进程的方式。在本章中,我们将探讨多线程/多进程服务器编程的概念,并通过一个多线程服务器的示例来演示其实现。
|
29天前
|
消息中间件 安全 Linux
线程同步与IPC:单进程多线程环境下的选择与权衡
线程同步与IPC:单进程多线程环境下的选择与权衡
58 0
|
30天前
|
消息中间件 存储 算法
【软件设计师备考 专题 】操作系统的内核(中断控制)、进程、线程概念
【软件设计师备考 专题 】操作系统的内核(中断控制)、进程、线程概念
81 0
|
30天前
|
消息中间件 Linux 调度
【Linux 进程/线程状态 】深入理解Linux C++中的进程/线程状态:阻塞,休眠,僵死
【Linux 进程/线程状态 】深入理解Linux C++中的进程/线程状态:阻塞,休眠,僵死
67 0
|
7天前
|
调度 Python
Python多线程、多进程与协程面试题解析
【4月更文挑战第14天】Python并发编程涉及多线程、多进程和协程。面试中,对这些概念的理解和应用是评估候选人的重要标准。本文介绍了它们的基础知识、常见问题和应对策略。多线程在同一进程中并发执行,多进程通过进程间通信实现并发,协程则使用`asyncio`进行轻量级线程控制。面试常遇到的问题包括并发并行混淆、GIL影响多线程性能、进程间通信不当和协程异步IO理解不清。要掌握并发模型,需明确其适用场景,理解GIL、进程间通信和协程调度机制。
27 0
|
7天前
|
算法 Linux 调度
深入理解Linux内核的进程调度机制
【4月更文挑战第17天】在多任务操作系统中,进程调度是核心功能之一,它决定了处理机资源的分配。本文旨在剖析Linux操作系统内核的进程调度机制,详细讨论其调度策略、调度算法及实现原理,并探讨了其对系统性能的影响。通过分析CFS(完全公平调度器)和实时调度策略,揭示了Linux如何在保证响应速度与公平性之间取得平衡。文章还将评估最新的调度技术趋势,如容器化和云计算环境下的调度优化。
|
12天前
|
算法 Linux 调度
深度解析:Linux内核的进程调度机制
【4月更文挑战第12天】 在多任务操作系统如Linux中,进程调度机制是系统的核心组成部分之一,它决定了处理器资源如何分配给多个竞争的进程。本文深入探讨了Linux内核中的进程调度策略和相关算法,包括其设计哲学、实现原理及对系统性能的影响。通过分析进程调度器的工作原理,我们能够理解操作系统如何平衡效率、公平性和响应性,进而优化系统表现和用户体验。
20 3
|
22天前
|
安全 Linux API
Android进程与线程
Android进程与线程
18 0
|
29天前
|
存储 算法 Linux
【Linux 系统标准 进程资源】Linux 创建一个最基本的进程所需的资源分析,以及线程资源与之的差异
【Linux 系统标准 进程资源】Linux 创建一个最基本的进程所需的资源分析,以及线程资源与之的差异
25 0
|
30天前
|
并行计算 Python
Python中的并发编程:多线程与多进程的比较
在Python编程中,实现并发操作是提升程序性能的重要手段之一。本文将探讨Python中的多线程与多进程两种并发编程方式的优劣及适用场景,帮助读者更好地选择合适的方法来提高程序运行效率。